材料化学金属材料讲义

学习目的
❖ 结合前面所学内容，理解金属材料结构与性能特点； ❖ 了解各种新型金属材料的特殊性能和结构以及其用
途。
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学习参考书目
1. 杨兴钰. 材料化学导论. 武汉：湖北科学技术出版社， 2003
2. 王正品，张路，贾玉宏 主编，金属功能材料，化学工 业出版社，2004
相图分析
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主要线 ❖ ABCD线——液相线
液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。 ❖ AHJECF线——固相线
液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化 ❖ GS线—— A3线
A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A ❖ ES线——AC线
C在A中溶解度曲线 ❖ ECF线——共晶线
第6章 金属材料 Chapter 6 Metallic Materials
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本章内容
6.1 金属材料结构与性能 6.2 超耐热合金 6.3 超低温合金 6.4 超塑合金 6.5 形状记忆合金 6.6 贮氢合金 6.7 非晶态金属材料
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素(镧系和锕系)以及人造超铀元素(自然界含量少或分布稀散、发现晚、难提取或 制备应用较晚)； 准金属:介于金属与非金属之间，如硼、硅、硒、碲、砷、锗、锑、钋； 放射性金属: 镭、铀、钍、钋等。
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6.1 金属材料结构与性能
6.1.1 金属晶体结构
❖ 金属键特性 ❖ 紧密堆积结构 ❖ 金属材料形态——多晶
alloy）
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6.1.3 铁系合金的组织结构
❖ 铁的同素异晶体
✓ -Fe：体心立方 ✓ -Fe：面心立方 ✓ -Fe：体心立方
Fe 1394oC Fe 912o C Fe
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❖ 奥氏体（Austenite，符号A表示）
结合第2章内容
T12号钢退火金相形态
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6.1.2 合金基本结构与性能
❖ 混合物合金（mixture alloy）
➢ 细微晶粒相互间混合 ➢ 具有低共熔点
❖ 固溶体合金（solid solution alloy） ❖ 金属间化合物合金（intermetallic compound
退火、正火、 淬火+回火、 调质等 表面淬火和回火（如感应 加热淬火）、气相沉积等 渗碳、渗氮、碳氮共渗、 氮碳共渗、渗金属、多元 共渗等
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6.2 超耐热合金 6.2.1 超耐热合金定义
一般的金属材料都只能在500～600ºC下长期工作。
➢ 碳溶解在-Fe中的间隙固溶体 ➢ 仍保持 -Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多
边形 ➢ 727℃时溶碳为c ＝0.77％，1148℃时可溶碳2.11％ ➢ 具有较高塑性
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❖ 马氏体（Martensite，符号M表示）
➢ 碳在-Fe中的过饱和固溶体
➢ 马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳 钢中加速冷却通常能够获得这种组织
✓ 奥氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物 ✓ 碳质量分数平均为Wc=0.77% ✓ 显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状
组织
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Fe-Fe3C phase diagram
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主要点
3. 李云凯 主编，金属材料学，北京理工大学出版社， 2006
4. Marc W. M. van der Wijst，Shape Control of Structures and Materials with Shape Memory Alloys，University of Technology Eindhoven，1998
含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物 （莱氏体）。 ❖ PSK线——共析线 含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体
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6.1.4 金属材料热处理
分类 整体热处理 表面热处理 化学热处理
特点
常用方法
是对工件整体进行穿透 加热 是仅对工件的表面进行 的热处理工艺 是改变工件表层的化学 成分、组织和性能
轻有色金属: 密度小于4.5g/cm3,如钾、钠、钙、镁、铝、锶、钡等，化学活性高； 重有色金属: 密度大于4.5g/cm3,铜、镍、锡、铅、镉、汞、钴、铋等； 贵金属: 铂、金、银、铑、铱、钌、锇、钯等，地壳含量稀少、开采提炼困难而昂贵，
密度高(10.4~22.4g/cm3)、熔点高(1200~3300K)、惰性； 稀有金属: 如锂、铷、铯、铍、钨、钼、钒、铌、钛、铪、镓、铟、铊、锗和稀土元
5. R. LeHolm，B. Norris，High Temperature Alloys for Aerospace Structure，ASM International，2001
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金属可分为黑色金属和有色金属。 ➢ 黑色金属: 铁、铬、锰及其合金，并以铁金属、铁合金为主。 ➢ 有色金属: 铁、铬、锰以外的金属。 有色金属又可进一步分为:
➢ 普遍具有较高强度和硬度
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高碳马氏体
低碳马氏体
奥氏体和马氏体
奥氏体和马氏体的结构
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❖ 铁素体（Ferrite，符号F表示）
➢ 碳溶解于α-Fe的体心立方晶格中形成的间隙固溶体 ➢ 碳原子含量很少(仅0.02%) ➢ 强度和硬度低，塑性和韧性好。
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源自文库
❖ 渗碳体（cementite，符号C表示）
➢ 碳与铁形成的一种化合物Fe3C，一般含碳6.67％ ➢ 复杂的正交晶格 ➢ 熔点1227℃。 ➢ 极高硬度（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、
韧性几乎为零。
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❖ 珠光体（pearlite，符号P表示）